CN111999557A - 一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，包括：根据特定的电网负荷情况及配网电能质量治理装置主电路参数确定PWM过程中的调制函数，进而结合电能质量治理装置输出电流，得出直流母线电解电容电流的频谱；根据直流母线电解电容电流的频谱及电解电容ESR的频率特性，计算电解电容的内部温升；根据电解电容内部温升及电解电容所处环境温度，确定电解电容的寿命值；结合实际负荷曲线及电解电容在不同工况下的寿命值，确定电解电容寿命预测及评估的最终结果。本发明结合电网实际负载情况给出其直流侧电容使用寿命的评估方法，可以指导设备选型，还可以对已有的设备进行综合性能以及寿命评估。

Description

一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿 命评估的方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件可靠性评估领域，具体是一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法。

背景技术

随着新能源、信息技术与电力电子技术的飞速发展，分布式电源与分布式储能大量接入电网，配电网电能质量和供电可靠性的要求日益增加。其中，三相不平衡是影响配电网电能质量的重要因素之一，其主要由三相负荷不对称导致，广泛存在于中低压配电网中，并可能导致的线路损耗增加、配电变压器出力降低及损害用电设备等问题。因此，治理三相不平衡问题已成为提高配电网电能质量研究的重点，目前在配网中投运了大量的电能质量治理装置/三相不平衡治理装置。

但目前仍存在电能质量治理装置故障率高，功能无法完全适应现场运行环境等问题，其主要原因是目前尚缺少科学有效的配网电能质量治理装置整体性能评估方法，无法在源头有效管控装置质量，提升装置现场应用效果。

现有配网电能质量治理装置由不平衡电流检测电路、电流跟踪控制电路与电力电子主电路、驱动电路构成。当线路中出现负载不对称现象时，首先由不平衡电流检测电路检测负载电流，通过运算分析可得出线路中的不平衡电流分量进而获得指令信号，该指令信号控制电力电子主电路产生补偿电流与系统中的不平衡分量相抵消，最终达到电网电流三相平衡的目的。

电力电子主电路是配网电能质量治理装置的重要组成部分，其由三相电压源型逆变器构成。考虑到电解电容低成本、功率密度高等优点，该配网电能质量治理装置的拓扑直流侧采用电解电容提供稳定的直流电压。然而在该装置的使用过程中，电解电容中将会承受较大的电流应力，其内部液体电解质将会部分挥发，电解液的损耗将会降低电解电容的寿命，从而给整个系统带来严峻的可靠性问题。

针对上述问题，国内外大多凭借工程经验确定配网电能质量治理装置中电解电容的可能使用寿命。本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：考虑到实际使用中电网负载复杂多变的特点，结合电网实际负荷特性，预测电解电容使用寿命，不仅可对配网电能质量治理装置的直流侧设计提供指导，同时对提升配网电能质量治理装置的运行可靠性有着十分重要的价值与意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其主要是针对中低压配电网中广泛使用的配网电能质量治理装置，结合电网实际负载情况，给出其直流侧电容使用寿命的评估方法，可以指导设备选型，还可以对已有的设备进行综合性能以及寿命评估。

一种根据负荷曲线进行配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估方法，包括如下步骤：

步骤一、根据特定的电网负荷情况及配网电能质量治理装置主电路参数，确定PWM过程中的调制函数，进而结合电能质量治理装置输出电流，得出直流母线电解电容电流的频谱；

步骤二、根据计算得出的直流母线电解电容电流的频谱及电解电容ESR的频率特性，计算所述电解电容的内部温升；

步骤三、根据所述电解电容内部温升及电解电容所处环境温度，确定所述电解电容的寿命值；

步骤四、结合实际负荷曲线及所述电解电容在不同工况下的寿命值，确定配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命预测及评估的最终结果。

进一步的，所述步骤一中配网电能质量治理装置主电路参数包括网侧LCL滤波装置参数以及直流母线电容电压。

进一步的，所述步骤一具体包括：

采用公式(1)计算配网电能质量治理装置PWM过程中的A相调制函数，

其中：U_s为电网电压幅值；ω₀为电网电压角频率；I_oA为配网电能质量治理装置A相输出电流幅值；L为配网电能质量治理装置输出段LCL滤波器在低频时的等效电感值；

为A相输出电流初相；U_dc为配网电能质量治理装置直流母线电容电压；M为A相调制函数调制比；

为A相调制函数初相角，A相调制函数与载波比较得到控制A相上、下桥臂开关器件导通状态的控制信号；

采用公式(2)，(3)，(4)计算配网电能质量治理装置中表示开关状态的开关函数频谱SW(m,n)及其在正交基底下的频谱SW’(m,n)：

其中：m，n表示其所在在频率为mf_C+nf₀，f_C为三角载波频率，f₀为电网基波基波频率；J_n(Mmπ/2)为n阶贝塞尔函数在Mmπ/2处的值；

根据开关函数频谱SW(m,n)及其在正交基底下的频谱SW’(m,n)，利用公式(5)计算配网电能质量治理装置中A相上桥臂开关器件电流频谱I_SWA(m,n)：

其中：SW’(m,n-1)为在频率点mf_C+(n-1)f₀处的开关函数频谱值，SW’(m,n+1)为在频率点mf_C+(n+1)f₀处的开关函数频谱值，I_oA为配网电能质量治理装置A相输出电流幅值；

为A相输出电流初相；同理计算获得B相上桥臂开关器件电流频谱I_SWB(m,n)、C相上桥臂开关器件电流频谱I_SWC(m,n)；

根据A相上桥臂开关器件电流频谱I_SWA(m,n)、B相上桥臂开关器件电流频谱I_SWB(m,n)、C相上桥臂开关器件电流频谱I_SWC(m,n)，利用公式(6)计算配网电能质量治理装置直流母线电容电流的频谱I_C(m,n)：

I_C(m,n)＝I_SWA(m,n)+I_SWB(m,n)+I_SWC(m,n) (19)

其中：I_SWA(m,n)为配网电能质量治理装置中A相上桥臂开关器件电流频谱；I_SWB(m,n)为B相上桥臂开关器件电流频谱；I_SWC(m,n)为C相上桥臂开关器件电流频谱。

进一步的，步骤二中电解电容ESR的频率特性是利用公式(7)，(8)计算得到：

公式(7)用于计算低频ESR，其中：tanδ为耗散因素；fr为特定频率点；C为电解电容容值；ESR_fr为电解电容在特定频率点fr处的ESR值；公式(8)用于计算高频ESR，其中：ESR_fi为电解电容在待求频率点f_i处的ESR值；ESR_f0为电解电容生产厂家给出的在频率点f₀处的ESR值；F_fi为电解电容在频率f_i处的频率因数。

进一步的，步骤二计算所述电解电容的内部温升具体为：

定义ESR(m,n)为电解电容在频率点mf_C+nf₀处的ESR值，首先利用公式(9)计算电解电容的内部功率损耗P_th，：

式中：I_C(m,n)为直流母线电容电流的频谱，n_c，n_h表示计算内部功率损耗时考虑的m及n的范围；

然后利用公式(10)计算电解电容的内部温升：

ΔT＝R_th·P_th (23)

其中：R_th是由电解电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。

进一步的，步骤三具体为：

利用公式(11)计算特定工况下的电解电容寿命：

其中：L_x为电解电容寿命，L_o为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T_x和T₀为电解电容的使用环境温度及可工作在的最高温度，T为电解电容的内部温升，K_T为温度系数，铝电解电容中取值通常为5。

进一步的，步骤四具体为：

利用公式(11)计算给定负荷曲线下配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命预测及评估的结果Lifetime：

其中：L_xi为在T_i时间段内负荷处于工况i，且电解电容始终处于该工况下的预测寿命，T为负荷曲线的总时间，其满足公式(13):

本发明计算所得电能质量治理装置直流母线电解电容电流的频谱较其真实值误差小于5％，同时结合实际负荷曲线最终所得寿命评估结果与相同工况下电解电容在加速老化实验下的实际寿命结果误差小于5％。该预测评估结果为配网电能质量治理装置的直流侧设计提供参考，同时为配网电能质量治理装置的可靠性评估提供指导。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明的实施方案，现结合具体实施例进行说明。显然，附图中给出的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明实施例配网电能质量治理装置电路拓扑图；

图2为本发明实施例一个实际电网不对称负载情况；

图3(a)所示为补偿前电网中的三相不对称电流波形，图3(b)所示为投入电能质量治理装置后电网中的三相电流波形；

图4为本发明实施例直流侧电解电容电流的频谱计算流程；

图5为本发明实施例特定负荷情况下电解电容寿命评估流程；

图6为本发明实施例结合实际负荷曲线电解电容寿命评估流程。

具体实施方式

下面将结合附图及附表中给出的本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行完整、清晰地描述。显然，附图中给出的仅仅是本发明的一个实施例而不是全部的实施例。对于本领域的技术人员来说，在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利的保护范围。

本发明的核心是根据实际的电网不对称负载情况，给出一种可靠的基于配网电能质量治理装置的直流侧电解电容寿命评估。

本发明首先采集得到电网实际的负载数据，在该数据下的寿命评估结果将与真实值更加接近。假设电网电压无波动，经分析计算便可得出A、B、C三相的不平衡负载电流，由对称分量法，将各相负载电流分解为正序电流、负序电流及零序电流，其中负序电流与零序电流作为每相的指令信号控制电力电子主电路产生相应的补偿电流。因输出LCL滤波装置为确定值，因此可确定其电力电子主电路输出电压。在该条件已知的基础上，经傅里叶分析，便可以得到该工况下直流侧电容所承受的电流频谱。

ESR为电解电容中的重要参数。电解电容的电介质中存在的有一定的介电损耗，这部分损耗可用一等效串联电阻即ESR表示。研究表明，ESR主要受温度及频率的影响，不同频率下电解电容ESR表现不同。因此，结合已经求得的配网电能质量治理装置电容电流频率，结合所选电解电容的ESR特性，便可求得电解电容的内部功率损耗。考虑到电解电容的热阻作用，其结温的增加量便可通过计算得出。至此，已经完成了配网电能质量治理装置中电解电容所承受电应力到热应力的计算转化。最终，结合广泛被接受的电解电容寿命计算公式，便可得出配网电能质量治理装置中电解电容在特定负载情况下的寿命评估结果。

图1为本发明实施例所基于的配网电能质量治理装置拓扑图。如图所示，其主电路部分为一电容中点式三相两电平电压源型逆变器拓扑，其直流侧采用电解电容提供稳定的直流侧电压V_dc，交流测采用LCL滤波装置与电网相连。图2为本发明实施例一个实际电网不对称负载情况，图3为本发明实施例在补偿该不对称负载时的补偿情况。

首先完成各相不平衡分量的检测。由对称分量法，任意三相不平衡的电压或电流，均可分解为平衡的向量成分即正序分量、负序分量及零序分量。本例对三相负载电流I_A、I_B、I_C进行分解，设旋转因子a表示向量依逆时针方向旋转120度，则有：

式中I_A1为A相电流中的正序分量，I_A2为A相电流中的负序分量，I_A0为A相电流中的零序分量。I_A2+I_A0即为配网电能质量治理装置A相的理论输出电流值。B、C两相与A相同理，其正序、负序及零序分量满足：

I_A1＝aI_B1＝a²I_C1 (30)

I_A2＝a²I_B2＝aI_C2 (31)

I_A0＝I_B0＝I_C0 (32)

由配网电能质量治理装置拓扑可知，最终电容电流I_C可以表示为三相上桥臂开关器件电流的矢量和，即有：

I_C＝I_SWA+I_SWB+I_SWC (33)

因此，以A相为例计算其A相上桥臂开关电流I_SWA。配网电能质量治理装置A相输出电流可以表示为：

配网电能质量治理装置采用LCL滤波装置与电网相连，在低频段，LCL输出特性可等效为一单电感滤波器。设A相电网电压为U_s*sin(ω₀t)，由三相电压源型逆变电路特性可知，其A相调制函数可以表示为：

图4为本发明实施例直流侧电解电容电流的频谱计算流程。配网电能质量治理装置中控制环节采用双极性SPWM控制，三角载波频率为f_C。首先计算表示A相上桥臂开关器件通断状态的开关函数sw，其在频率mf_C+nf₀(m为非负整数，n为任意整数)处频谱值SW(m,n)可以表示为：

式中，x取代ω_ct，y取代

则最终sw可以表示为：

其中

定义

SW′(m,n)＝C_mn+jD_mn (40)

由式(10)可知，SW(m,n)与m，n有关：

当m＝0且n＝0时：

当m＝0且n≠0时：

当m≠0时：

式中J_n(Mmπ/2)为n阶贝塞尔函数在Mmπ/2处的值。

在求得开关函数sw频谱的基础上，可进一步求得配网电能质量治理装置中A相上桥臂的开关电流I_SWA。在时域中，I_SWA可以表示为：

在时域内的乘积可以转换为在频域中的卷积，其在频域内起到频谱搬移的作用。因此A相上桥臂开关电流频谱可以表示为：

B、C两相上桥臂开关电流频谱计算过程与A相同理。最终，配网电能质量治理装置直流侧电容电流的频谱可以表示为：

I_C(m,n)＝I_SWA(m,n)+I_SWC(m,n)+I_SWC(m,n) (46)

图5为本发明实施例特定负荷情况下电解电容寿命评估评估流程。在求出电容电流的频谱的基础上，电解电容寿命可由式(21)给出。

式中L_x为电解电容寿命，L_o为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T_x和T₀为电解电容的使用环境温度及可工作在的最高温度，ΔT为电解电容的内部温升，K_T为温度系数，铝电解电容中取值通常为5。

结合电解电容制造厂商给出的参数，可分析得出电解电容ESR的频率特性。其在低频段的ESR特性可由耗散因素(tanδ)推导的得出。耗散因数是电容ESR与电容对应阻抗的比值，数据手册中的耗散因数多定义在特定频率点fr，因此，因此电容在特定频率点fr的ESR值可以表示为：

高频段ESR可由电解电容频率因数推出。为了定量描述不同频率点电解电容对应的热功率，电容厂家通过频率因数定义了不同频率下的电流，其表达式如下：

即电流I_fi与电流I_f0·F_fi具有相同的功率损耗。由此可知，不同频率下的ESR可利用频率因数通过下式表达

因此，结合电解电容的ESR频率特性及其电流频谱，电解电容的内部功率损耗可以表示为：

考虑到其电容电流的频谱特性，n_c取为4，n_h取为6便可满足其内部功率损耗的计算精度要求

结合已经计算得到的电解电容功率损耗，电解电容的内部温升可以表示为：

ΔT＝R_th·P_th (52)

式中，R_th是由电解电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。最终将式(26)带回式(21)，便可评估出若配网电能质量治理装置始终用于补偿该负荷情况下的直流侧电解电容预计寿命。

图6为本发明实施例结合实际负荷曲线电解电容寿命评估评估流程。结合实际负荷曲线，设在负荷曲线统计时间T内，在T_i时间段内负荷处于工况i，且电解电容始终处于该工况下电解电容寿命为Lifetime i。则最终，根据负荷曲线进行配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估及评估的结果可以表示为：

式中

运用本发明方法计算所得电能质量治理装置直流母线电解电容电流的频谱较其真实值误差小于5％，同时结合实际负荷曲线最终所得寿命评估结果与相同工况下电解电容在加速老化实验下的实际寿命结果误差小于5％。该预测评估结果为配网电能质量治理装置的直流侧设计提供参考，同时为配网电能质量治理装置的可靠性评估提供指导。

需要强调的是，上述实施示例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、根据特定的电网负荷情况及配网电能质量治理装置主电路参数，确定PWM过程中的调制函数，进而结合电能质量治理装置输出电流，得出直流母线电解电容电流的频谱；

步骤二、根据计算得出的直流母线电解电容电流的频谱及电解电容ESR的频率特性，计算所述电解电容的内部温升；

步骤三、根据所述电解电容内部温升及电解电容所处环境温度，确定所述电解电容的寿命值；

步骤四、结合实际负荷曲线及所述电解电容在不同工况下的寿命值，确定配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命预测及评估的最终结果。

2.如权利要求1所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：所述步骤一中配网电能质量治理装置主电路参数包括网侧LCL滤波装置参数以及直流母线电容电压。

3.如权利要求1或2所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：

采用公式(1)计算配网电能质量治理装置PWM过程中的A相调制函数，

其中：U_s为电网电压幅值；ω₀为电网电压角频率；I_oA为配网电能质量治理装置A相输出电流幅值；L为配网电能质量治理装置输出段LCL滤波器在低频时的等效电感值；

为A相输出电流初相；U_dc为配网电能质量治理装置直流母线电容电压；M为A相调制函数调制比；

为A相调制函数初相角，A相调制函数与载波比较得到控制A相上、下桥臂开关器件导通状态的控制信号；

采用公式(2)，(3)，(4)计算配网电能质量治理装置中表示开关状态的开关函数频谱SW(m,n)及其在正交基底下的频谱SW’(m,n)：

其中：m，n表示其所在在频率为mf_C+nf₀，f_C为三角载波频率，f₀为电网基波基波频率；J_n(Mmπ/2)为n阶贝塞尔函数在Mmπ/2处的值；

根据开关函数频谱SW(m,n)及其在正交基底下的频谱SW’(m,n)，利用公式(5)计算配网电能质量治理装置中A相上桥臂开关器件电流频谱I_SWA(m,n)：

其中：SW’(m,n-1)为在频率点mf_C+(n-1)f₀处的开关函数频谱值，SW’(m,n+1)为在频率点mf_C+(n+1)f₀处的开关函数频谱值，I_oA为配网电能质量治理装置A相输出电流幅值；

为A相输出电流初相；同理计算获得B相上桥臂开关器件电流频谱I_SWB(m,n)、C相上桥臂开关器件电流频谱I_SWC(m,n)；

根据A相上桥臂开关器件电流频谱I_SWA(m,n)、B相上桥臂开关器件电流频谱I_SWB(m,n)、C相上桥臂开关器件电流频谱I_SWC(m,n)，利用公式(6)计算配网电能质量治理装置直流母线电容电流的频谱I_C(m,n)：

I_C(m,n)＝I_SWA(m,n)+I_SWB(m,n)+I_SWC(m,n) (6)

其中：I_SWA(m,n)为配网电能质量治理装置中A相上桥臂开关器件电流频谱；I_SWB(m,n)为B相上桥臂开关器件电流频谱；I_SWC(m,n)为C相上桥臂开关器件电流频谱。

4.如权利要求3所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：步骤二中电解电容ESR的频率特性是利用公式(7)，(8)计算得到：

公式(7)用于计算低频ESR，其中：tanδ为耗散因素；fr为特定频率点；C为电解电容容值；ESR_fr为电解电容在特定频率点fr处的ESR值；公式(8)用于计算高频ESR，其中：ESR_fi为电解电容在待求频率点f_i处的ESR值；ESR_f0为电解电容生产厂家给出的在频率点f₀处的ESR值；F_fi为电解电容在频率f_i处的频率因数。

5.如权利要求4所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：步骤二计算所述电解电容的内部温升具体为：

定义ESR(m,n)为电解电容在频率点mf_C+nf₀处的ESR值，首先利用公式(9)计算电解电容的内部功率损耗P_th，：

式中：I_C(m,n)为直流母线电容电流的频谱，n_c，n_h表示计算内部功率损耗时考虑的m及n的范围；

然后利用公式(10)计算电解电容的内部温升：

ΔT＝R_th·P_th (10)

其中：R_th是由电解电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。

6.如权利要求5所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：步骤三具体为：

利用公式(11)计算特定工况下的电解电容寿命：

其中：L_x为电解电容寿命，L_o为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T_x和T₀为电解电容的使用环境温度及可工作在的最高温度，T为电解电容的内部温升，K_T为温度系数，。

7.如权利要求6所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：K_T在铝电解电容中取值为5。

8.如权利要求6所述的根据负荷曲线进行电能质量治理装置直流侧电解电容寿命评估的方法，其特征在于：步骤四具体为：

利用公式(11)计算给定负荷曲线下配网电能质量治理装置直流侧电解电容寿命预测及评估的结果Lifetime：

其中：L_xi为在T_i时间段内负荷处于工况i，且电解电容始终处于该工况下的预测寿命，T为负荷曲线的总时间，其满足公式(13):

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